DE112012001978T5

DE112012001978T5 - Verfahren zum Modifizieren der Oberflächeneigenschaften von Materialien und Gegenständen

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Publication number: DE112012001978T5
Application number: DE112012001978.4T
Authority: DE
Inventors: Dmitry Alekseevich Karpov; Vladimir Nikolaevich Litunovsky
Original assignee: FED STATE UNITARIAN ENTPR D V EFREMOV SCIENT RES INST OF ELECTROPHYICAL APPARATUS; Federal State Unitarian Enterprise Dv Efremov Scientific Research Institute Of Electrophyical Apparatus
Current assignee: FED STATE UNITARIAN ENTPR D V EFREMOV SCIENT RES INST OF ELECTROPHYICAL APPARATUS; Federal State Unitarian Enterprise Dv Efremov Scientific Research Institute Of Electrophyical Apparatus
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2014-02-20
Also published as: RU2011118209A; WO2012150877A3; WO2012150877A2; RU2478141C2

Abstract

Das Verfahren betrifft das Gebiet der Strahlen- und Plasmatechnologie und basiert auf der Nutzung der Wirkung der Kathodenflecken einer Vakuumbogenentladung auf ein Material (einen Gegenstand), welche Vakuumbogenentladung in einem Vakuum zwischen einer Anode und einer Kathode erzeugt wird, die den zu behandelnden Gegenstand aufweist. Das Verfahren umfasst das Laden der Materialien (Gegenstände) in eine Kammer, das Vakuumpumpen der Kammer, das Plasmabehandeln der Materialien (Gegenstände) und das Entfernen dieser aus der Kammer. Die Oberflächeneigenschaften der Materialien (Gegenstände) werden modifiziert, wenn/indem Vakuumbogenentladungs-Kathodenflecken des Typs 1 und/oder 2 und/oder 3 auf den Oberflächen der Materialien (Gegenstände) in einem Vakuum initiiert werden, und durch Behandeln der zu modifizierenden Oberfläche mit den Kathodenflecken, um ein Oberflächenschmelzen zu erzeugen. Für die Implementierung dieses Systems darf der Druckwert in der Kammer nicht mehr als 1 Pa betragen, darf die konstante oder gepulste Spannung der Vakuumbogenentladung nicht weniger als 10 V betragen und darf die Stromstärke der Vakuumbogenentladung nicht weniger als 1 A betragen. Die Vakuumbogenentladung wird in einem Restgas oder in einer neutralen und/oder Arbeitsgasumgebung angeregt und aufrechterhalten, und ein Magnetfeld wird verwendet, um die Kathodenflecken auf der zu behandelnden Oberfläche anzuordnen und die Bewegung der Kathodenflecken über die Fläche zu steuern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Strahlen-Plasma-Technologien zum Verbessern der Leistungseigenschaften von strukturellen Materialien und Gegenständen.
HINTERGRUND
In vielen Fällen ist die Veränderung der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Oberflächenschicht von strukturellen Materialien und Gegenständen eine ausreichende und wirtschaftlich wirkungsvolle Art und Weise, ihre Leistungseigenschaften zu verbessern. Heutzutage werden derartige traditionelle Technologien (galvanisches Beschichten, thermisches Härten, Zementieren, Polieren, usw.) häufig durch die umweltfreundliche Plasma-Strahlen-Technologie ersetzt. Obwohl das Produktionsvolumen beim funktionalen (einschließlich dem nanostrukturierten) Beschichten mittels derartiger Technologien das größte Segment auf dem Markt darstellt, sind Technologien zur Modifizierung der Oberflächenschicht durch das Behandeln mit einem konzentrierten Energiefluss (Laserbestrahlung, Elektronenstrahlen, Plasmaströme) ebenfalls äußerst attraktiv. Die Nutzung verschiedener Energiequellen wird durch die Eigenschaften bestimmter Aufgaben bestimmt und hat oder kann bei der Nutzung moderner Technologien zur Oberflächenmodifizierung ihre eigene Nische haben.
Durch die Behandlung von Materialien und Gegenständen mit konzentrierten Energieströmen werden Oberflächenverunreinigungen (Einschlüsse) beseitigt und wird die Oberfläche poliert, wobei jedoch die Möglichkeit, (unter bestimmten Bedingungen) die Mikrostruktur und die Phasenzusammensetzung der Oberflächenschicht von Materialien und Gegenständen zu verändern und somit ihre funktionelle Leistung zu verbessern, den wichtigsten Punkt darstellt. Im ersten Fall kann eine Verkleinerung der Körnung (bis zu einer Amorphisierung) stattfinden. Im zweiten Fall können metastabile Phasen und Zusammensetzungen (die mittels eines normalen Wärmebehandlungsverfahrens nicht erzeugt werden können) gebildet werden.
Eine notwendige Bedingung für eine (Pseudo)-Amorphisierung der Mikrostruktur ist eine hohe (> 10⁶ K/s) Abkühlungsgeschwindigkeit der Schmelzschicht (Luborsky F. E., Davies H. A., Liebermann, H. H., Amorphe Metalllegierungen, Moskau, Metallurgie, 1987, S. 582). Die Verwendung gepulster Quellen konzentrierter Energieströme ermöglicht es (unter bestimmten Bedingungen), für ein schnelles Abkühlen der Oberflächenschicht den natürlichen Wärmeleitfähigkeitsabfluss von Wärme tief in das Material zu nutzen. Die Anforderungen bezüglich der Aufwärmgeschwindigkeit bis auf die Schmelztemperatur lassen sich basierend auf der Erfordernis eines adiabatischen Modus schätzen, bei dem in die Oberflächenschicht absorbierte Energie während der Pulsdauer darin verbleibt, das heißt nicht in die Tiefe des Materials eingeführt werden soll.
Bei der Durchführung der Laseroberflächenbehandlung von Materialien (Tempern, Amorphisierung, Polieren, verstärkte Aushärtung, usw.) wird ein Puls-(gepulst-periodischer)Bestrahlungsmodus mit einem kleinen Strahlendurchmesser verwendet, so dass die Behandlung der Fläche mit einem Zentimeterbereich (und mehr) die Verwendung eines Abtaststrahls erfordert. Die hohen Kosten für die Ausrüstung ermöglichen eine Kommerzialisierung dieser Technologien nur bei bestimmten Anwendungen, zum Beispiel bei der Herstellung von mikro-optischen Elementen aus Glaskeramik (Veiko I. P., Kieu Q. K., Laser amorphisation of glass ceramics: Basic properties and new possibilities for manufacturing microoptical elements//Quantum Electronics, 2007, Bd. 37, Nr. 1, Seiten 92–98).
Für solche Anwendungen werden bevorzugt Elektronenstrahlen verwendet, um relativ große Dicken (bis zu ~100 μm) der modifizierten Schichten zu erreichen, wobei jedoch die Komplexität und das verhältnismäßig hohe Gewicht sowie die Größe und die Kosten bei einer derartigen Ausrüstung die Nutzung dieser Technologie deutlich einschränken (Bakai A. S., Borisenko A. A., Russel K. C., Amorphisation kinetics under electron irradiation//Probleme in der Atomwissenschaft und -Technologie, Ser. Physik von Strahlenschäden und Strahlungsmaterial, 2005, Nr. 4, S. 108–113).
Moderne Quellen (Beschleuniger) von Plasmaströmen ermöglichen das Durchführen der Behandlung der Oberfläche mit einer relativ großen Fläche (zum Beispiel ~300 × 300 mm²) (Litunovsky V. N. et al., Quasistationary plasma accelerators for experiments on thermonuclear fusion and technology//Plasma Devices and Operations, Bd. 2, Ausgabe 2, 1992, S. 11–123 1) pro einem Puls, um die Topographie, die Struktur und die Zusammensetzung der Oberflächenschicht von Materialien und Produkten einschließlich einer komplexen Geometrie zu modifizieren. Derartige Beschleuniger arbeiten in einem Pulsmodus, wodurch die Prozessleistung eingeschränkt ist, und sind darüber hinaus ziemlich komplex, wodurch ihre kommerzielle Nutzung behindert wird.
Eine umweltfreundliche Technologie zum Reinigen der Oberfläche metallurgischer Produkte mittels Lichtbogenbearbeitung ist bekannt, die die Anregung einer Lichtbogenentladung, die Bildung von Kathodenflecken auf der behandelten Fläche und das Reinigen der Fläche mit den Kathodenflecken zum Entfernen von Walzzunder, Oxidschichten und anderen Verunreinigungen beinhaltet („Method for surface treatment by arc discharge in a vacuum”, Verfassernachweis USSR Nr. 1695704 , C23C14/02, 1987, „Method of the cathodevacuum surface treatment of metal parts”, RU 2118399 , 1996, Verfassernachweis USSR Nr. 719710 , B08B3/10, 1977; Verfassernachweis USSR Nr. 935141 , B08B3/10, 1980, Verfassernachweis USSR Nr. 1749279 , C22B9/20, 1990).
Eine derartige Behandlung heißer Metallrohlinge beseitigt beispielsweise nicht nur den Ausschuss von Walzsinter, sondern stellt auch eine Garantie gegen die Ausbildung von Haarrissen, feinen Rissen und Filmen dar („Method for surface treatment by arc discharge in a vacuum”, RU 2144096 , 1998).
Ferner ist ein Verfahren zur Behandlung von Materialien mit Lichtbogenkathodenflecken bekannt, um Metallflächen (einschließlich der Anwesenheit von organischen Verunreinigungen) für eine nachfolgende Abscheidung funktionaler Beschichtungen vorzubehandeln (Yuya Kubo et al., Pre-treatment on metal surface for plasma spray with cathode spots of low pressure arc”//„Surface and Coating Technology”, Bd. 200, Ausgabe 1–4, 2005, S. 1168 bis 1172; Takeda K., Dry cleaning of metal surfaces by a vacuum arc//Surface and Coating Technology, Bd. 131, Ausgabe 1–3, 2000, S. 234–238; Masaya Sugimoto, Koichi Takeda, Surface variation caused by vacuum arc cleaning of organic contaminant//Thin Solid Films, 506–507 (2006), S. 337–341). Typischerweise erfolgt ein derartiges Vorgehen für Werte des Lichtbogenstroms von bis zu 120 A und einen Vakuumkammerdruck von 200–300 Pa. Das technische Ergebnis besteht in einem Anstieg des Haftvermögens der Oberfläche aufgrund des Entfernens der Oxidschicht und in einer Erhöhung der Oberflächenrauigkeit.
Es ist bekannt, dass bei Lichtbogenentladungen mit integral kalten Elektroden (Kathode und Anode) der Entladungsstrom auf die Elektroden in sogenannten Kathoden- und Anodenflecken konzentriert sein kann, woraus sich die Verdampfung des Materials der jeweiligen Elektroden ergibt. Die Bildung von Anoden- und Kathodenflecken auf der Oberfläche der Elektroden wird weitgehend durch den Druck des Gases (der Gase) bestimmt, mit dem die Entladung fließt. Bei relativ hohen Drücken (> 1 Pa) nimmt eine Entladung des Bogentyps die Form von gleichzeitig existierenden inaktiven (festen) Anodenflecken und sich bewegenden Kathodenflecken oder nur die Form von Anodenflecken an. Der Druckbereich von 1–10 Pa ist ein Druck-Übergangsbereich aus dem Modus, in dem die Lichtbogenentladung mit gleichzeitigem Vorhandensein sowohl der Kathoden- als auch der Anodenflecken fließt, in den Modus, in dem der Lichtbogen ausschließlich in Form von Kathodenflecken fließt (Verfassernachweis USSR Nr. 1152433 , H01J41/20, 1988). Bei Drücken von < 1 Pa nimmt die Lichtbogenentladung die Form ausschließlich von Kathodenflecken an, die die einzige Quelle einer leitfähigen Umgebung (ionisierter Dampf von Kathodenmaterial) in dem Elektrodenzwischenraum sind.
Bei den oben genannten Technologien und wohlbekannten Verfahren und Vorrichtungen wird der Kathodenfleckvorgang mit einem Prozessdruck ausgeführt, der deutlich höher als 1 Pa ist. Bei derartigen Drücken wird eine Umgebung zur Aufrechterhaltung der Lichtbogenentladung nicht nur durch ionisierten Kathodenmaterialdampf erzeugt, (dies ist das Hauptkriterium für die Charakterisierung der Lichtbogenentladung als Vakuumbogen), sondern auch durch die Ionisierung von Restgas (oder dem Arbeitsgas) und ionisiertem Anodenmaterialdampf. Dies beeinflusst die Morphologie und die Mikrostruktur der behandelten Oberfläche wesentlich, indem die Gasverunreinigungen und das Anodenmaterial in diese eingebracht werden. Dieser Nachteil macht diese Verfahren für manche Anwendungen ungeeignet (zum Beispiel bei amorphen oder fein aufnehmenden Oberflächenschichten von hoher Reinheit). Darüber hinaus sinkt beim Erhöhen des Gasdrucks in der Kammer von 1 Pa oder mehr die Erosionsrate der Kathode aufgrund von Kathodenflecken deutlich (um ein Vielfaches) im Vergleich zu der Erosionsrate unter Vakuumbedingungen (p < 1 Pa), und wird außerdem die Beweglichkeit der Kathodenflecken verringert. Dies markiert den Übergang zu einem mehr stationären thermischen Verfahren an der Kathodenoberfläche mit einer deutlichen Verringerung des Energieanteils, um aus einem Kathodenmaterial ein leitfähiges Medium zu erzeugen (d. h. Schmelzen, Verdampfen und Ionisierung des Kathodenmaterials), wodurch die Wirksamkeit der Oberflächenbehandlung von Materialien mit Kathodenflecken reduziert wird (Juttner B., Puchkarev V., Hantzsche E., Beilis I. „Cathode Spots” im „Handbook of Vacuum Arc Science and Technology: fundementals and applications” herausgegeben von R. L. Boxman, P. J. Martin und D. M. Sanders; Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, USA, 1995, S. 145–149; Khoroshikh B. M. Vakuumbogenplasma in der Anwesenheit von Gas im Entladungsspalt//Physikalische Oberflächentechnik, 2005, Bd. 3, Nr. 1–2, S. 82–96; Logachev A. A. Chaly A. M., Shkolnik S. M. Dynamik-Flecken auf einer Kupferkathode in einem Hochstrom-Vakuumbogen//Technische Physik, 1997, Bd. 67, Nr. 4, S. 133–136). Formal wird ein derartiges System als ein Niederdruck-Lichtbogen klassifiziert. Obwohl bei derartigen Drücken (p > 1 Pa) ein erneutes Schmelzen von Teilen der Oberflächenschicht der Kathode (des bearbeiteten Produkts) sicherlich möglich ist, ist die Wirksamkeit dieses Vorgangs sehr viel geringer und ist die Abkühlungsgeschwindigkeit der Schmelzschicht aufgrund einer sehr viel höheren Stationarität des Prozesses deutlich verringert.
Ein derartiger Lichtbogenmodus wird auch bei dem Verfahren zum Modifizieren der Eigenschaften einer Formstahlkathode mit Niederdrucklichtbogenfleck verwendet (Demidenko V. V., Potemkin G. V., Remnev G. E. usw.: Modifizierung der Eigenschaften eines Formstahl-Kathodenfleck-Niederdruck-Lichtbogens//Physikalische und chemische Verarbeitung von Materialien, 2010, Nr. 5, S. 43–49), wobei dies als Prototyp ausgewählt wird.
Der Ablauf wird im folgenden Abschnitt beschrieben. Nach dem Evakuieren der Kammer auf einen Druck von 1 Pa wurde sie mit Stickstoff bis zu einem Druck von ~1000 Pa befüllt. Das Produkt – Stahlblech St.3 mit den Maßen 0,5 × 0,8 m² – diente als Kathode. Die Anodenanordnung mit Ring-Graphit-Anode wurde über der Kathode platziert. Die Behandlung wurde mit einem Langlichtbogen in einem Modus mit einem einigen Kathodenfleck mit einer Lichtbogenspannung von 25–35 V und einem Lichtbogenstrom von 100–150 A durchgeführt.
Nach der Initiierung der Entladung wurde die Temperatur der Graphitanode auf 2000°C erhöht, wodurch die Verdampfung und die Ausbildung eines starken Flusses von Kohlenstoffatomen zu der Kathode (dem Produkt) bewirkt wurde. Die Bogenbildung erfolgte in dem Gasgemisch aus atomarem Kohlenstoff, Stickstoff, Eisen und Sauerstoff. Die beiden letzten Ströme kommen von der Kathode und sind deutlich (50–100%) ionisiert. Die Ausdehnung der geladenen Komponente des Kathodenbrenners und die Bewegung des Kathodenflecks werden durch die Überlagerung des tangentialen Magnetfeldes B = 10–20 mT auf der Fläche des Kathodenspannungsabfalls über den Bogen gesteuert.
Mit einem derartigen Vorgang kann die Fläche wirkungsvoll von den Oxidschichten und Fettverunreinigungen gereinigt werden und können die Struktur und die Phasenzusammensetzung der Oberflächenschicht nicht nur aufgrund der Oberflächenbehandlung mit dem Kathodenfleck, sondern auch aufgrund des ungleichgewichtigen thermodynamischen Sättigungsprozesses der geschmolzenen Oberfläche mit den Atomen und Ionen sowohl des Arbeitsgases als auch der Anode modifiziert werden. Insbesondere die Übersättigung der Oberflächenschicht von 30–40 μm Dicke pro Kohlenstoff ermöglichte eine Reduzierung der Körnungsgröße in der Schicht, die wiederum zu einer erhöhten Korrosionsbeständigkeit führte. In diesem Fall jedoch änderte sich die Mikrohärte weder, noch wurde sie deutlich verringert (bis zu 3 Mal).
Dieses Verfahren kann jedoch nur für eine eingeschränkte Palette von Materialien verwendet werden (bei denen sowohl Gas- als auch Kohlenstoffverunreinigungen oder -verbindungen eine positive Wirkung haben können), und ist nicht geeignet, um reine modifizierte Oberflächenschichten zu erhalten.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Erhöhen sowohl der Wirksamkeit als auch der Qualität des Vorgangs zum Modifizieren der Oberflächeneigenschaften von Materialien und Gegenständen, also die Erzeugung reiner und sehr reiner modifizierter Schichten von Materialien.
Dieses Ziel kann dahingehend erreicht werden, dass die Modifizierung der Oberflächeneigenschaften von Materialien (Gegenständen) durch Behandeln der Vakuumbogen-Kathodenflecken mit den umschmelzenden Oberflächenmaterialien (Gegenständen) bei der Anregung der Vakuumbogenentladung und durch Initiierung der Kathodenflecken auf der Material-(Gegenstands-)Fläche mit einem Druck von nicht mehr als 1 Pa, einer Vakuumbogenentladungsspannung von nicht weniger als 10 V und einem Vakuumbogen-Entladungsstrom von nicht weniger als 1 A erfolgt.
In bestimmten Fällen der Umsetzung des vorgeschlagenen Oberflächenbehandlungsverfahrens wird zum Initiieren und Aufrechterhalten einer Lichtbogenentladung eine konstante oder puls-periodische Spannung zwischen der Anode und der Kathode mit einem beliebigen Wert für die Pulsdauer und Unterbrechung verwendet und wird Inert- und/oder Prozessgas in die Vakuumkammer eingefüllt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist bekannt, dass bei einem Druck von p ≤ 1 Pa der Vakuumbogen-Entladungsmodus realisiert wird, der ausschließlich im Dampf des Kathodenmaterials auftritt, und dass die Erzeugung dieses Dampfes in Kathodenflecken eines, zweier oder dreier Typen realisiert wird, die auf der Kathodenoberfläche ausgebildet sind. Der Kathodenflecktyp, der auf der Oberfläche der Kathode gebildet wird, wird durch den Zustand der Oberfläche (ihre Reinheit), einen Vakuumbogen-Entladungsstrom und die Zeit seines Vorhandenseins bestimmt (Kesaev I. G., Kathodischer Prozesslichtbogen, Ausg. „Nauka”, Moskau, 1968; Andreev A. A. Physikalisches Elektromagnetisches Modell des Kathodenflecks eines Vakuumbogens//Bulletin der Kharkov-Universität, 763, 2007, S. 32). Ein charakteristisches Merkmal der Entwicklung der Vakuumbogenentladung unter solchen Drücken – die Konzentration des Entladungsstroms in den nicht-stationären mikroskopischen Kanälen (Kathodenflecken), wo die Stromdichte und -stärke den Wert von 100 MA/cm² beziehungsweise 10⁹ W/cm² erreichen kann (aufgrund der geringen Größe der Kanäle ~10 μm und der Länge ihres Vorhandenseins ~10^–7 sec) – definiert den explosiven Elektronenemissionsmechanismus aus mikroskopischen Inhomogenitäten (geometrischer und struktureller Natur) der Oberfläche der Kathode unter dem Einfluss eines starken (~10 MV/m) lokalen elektrischen Feldes in einem dünnen Bereich nahe der Kathode (Anders A. Metal plasma immersion ion implantation and deposition: a review//Science & Coatings Technol., Bd. 93, 1997, S. 158–167). Der Druck in einem derartigen Plasmakanal (Kathodenfleck) kann eine Höhe von 10¹⁰ Pa erreichen, der die sehr schnelle (explosive) Ausdehnung definiert und die Dauer begrenzt (Mesyats G. A. et al., Pulsed Electrical Discharge in Vacuum, Springerverlag, Berlin, 1989). Die Abkühlungsgeschwindigkeit des Kathodenfleckenplasmas wird nicht nur durch seine freie Ausdehnung in der Zwischenelektrodenlücke bestimmt, sondern auch durch die hohen Strahlungsverluste des Erosionsplasmas, was schließlich die Lebensdauer des einzelnen Kathodenfleckplasmas um bis zu 10^–7 bis 10^–8 begrenzt (Anders A., Metal plasma immersion ion implantation and deposition: a review, Science & Coatings Technol., Bd. 93, 1997, S. 158–167). Am Ende der Entladung in einem Kathodenfleck wird die Spannung an der Anoden-Kathoden-Lücke wiederhergestellt und eine Mikroentladung erfolgt in einem anderen Teil der Oberfläche der Kathode (dem anderen Kathodenfleck). Somit ist die Bewegung des Kathodenflecks an der Oberfläche der Kathode keine Materialbewegung, sondern hängt der Prozess mit der Erzeugung und dem Zerfall von Kanälen des Entladungsstroms in den aktiven Emissionspunkten der Oberfläche der Kathode zusammen (Kathodenflecken).
Die Hochleistungsdichte der Mikroentladung bei einem Druck p₀ ≤ 1 Pa bringt ein starkes Aufheizen eines Teils der Kathodenflächen (mit einer Größe von etwa 10 μm) auf die Phasenübergangstemperaturen des Kathodenmaterials mit sich, und der Hochtemperaturbereich ist deutlich größer als CP (Emissionszentrum) (Valuev V. P., Valuev T. V., Vakuumbogenentladung auf integraler Kaltkathode//Werkzeuge und Technologie, 2010, Nr. 29, a. 3, S. 36–49). Basierend auf dem Konzept des Diffusionscharakters der Wärmeabführung aus der Schmelzschicht in die Tiefe des Materials wird gezeigt, dass die Abkühlungsgeschwindigkeit der Schmelzschicht mit der Aufheizleistung P_h gemäß (∂T/∂t ~ P 2 / h) zusammenhängt (Alekseev V. A., Konkashbaev I. K., Kiselev E. A. und andere//Technische Physik, 1983, 9, Nr. 1, S. 42–45), so dass die erforderliche Abkühlungsgeschwindigkeit für die Amorphisierung 10⁷–10⁹ K/s für integrierte Kaltkathoden (Materialien und Gegenstände) mit Werten des obengenannten Leistungspegels in dem Kathodenfleck P_h ~ 10⁹ W/cm² sicherlich erreichbar ist. Objektiv gilt: die Wärmeübertragungsleistung in der Tiefe des Materials
wobei χ, c, ρ der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, die spezifische Wärme bzw. die Materialdichte ist, und
– die Oberflächentemperatur, gleich der Verdampfungstemperatur, hat einen Maximalwert im Bereich von 0,5 bis 2 MW/cm² für bedeutende Baumaterialien (Cu, W, Al, Ti, usw.) (Litunovsky V. N., Studie zur Plasma-Oberflächen-Interaktion in gepulsten Modi der Materialplasmabehandlung//Vordruck NIIEFA, P-0992, Atomenergiebehörde der Russischen Föderation, Föderales Staatliches Einheitsunternehmen „NIIEFA them. Efremov”, 2005, S. 10), was deutlich geringer als der Heizleistungspegel ist (~109 W/cm²). Somit ist das Wirksamkeitskriterium des Amorphisierungsprozesses realisiert – adiabatischer Heizmodus, bei dem Energie (die durch die Oberflächenschicht des Materials während des Aufheizens auf einen Temperaturphasenübergang) bis zum Ende des Aufwärmpulses innerhalb dieser Schicht verbleibt.
Für die meisten Materialien (Ti, Al, Si, Zr, Stahl, usw.) verursacht ein Aufrechterhalten der Entladung in eigenen Dämpfen bei p ≤ 1 Pa keine Probleme, wobei es jedoch für einige Materialien (Mo, W, usw) Schwierigkeiten im Übergang zu Ultraniederdrücken geben kann. In diesem Fall kann nach dem Vakuumpumpen ein Inert- und/oder Arbeitsgasstrom in die Vakuumkammer eingeführt werden, um die Entladung zu stabilisieren. Die Bedingung p ≤ 1 Pa sollte jedoch für eine Realisierung einer ausschließlichen Entladung in Kathodenmaterialdampf (des behandelten Produktes) auch in diesem Fall gelten.
Die gesamte Verarbeitungszeit ist eine statistische Superposition von Pulsprozessen in einzelnen Hochstrom-Mikroentladungen, die sich spontan (oder unter dem Einfluss eines Magnetfeldes) auf der Oberfläche der Kathode (der Gegenstände) bewegen. Obwohl der Prozess einer individuellen Mikroentladung ein reiner Puls ist (τ_p ~ 10^–7 sec), kann die Gesamtfunktion der Ausrüstung für die Realisierung des Bearbeitungsverfahrens als ein hochproduktiver stabiler-Zustand-Prozess charakterisiert werden. Die Produktivität dieses Prozesses kann durch den Entladungsstromwert leicht angepasst werden. Ein Anstieg des Entladungsstromwertes führt zu einer „Teilung” des Kathodenflecks, d. h. einem Anstieg der Anzahl von gleichzeitig existierenden aktiven Emissionszentren, von denen jedes ungefähr die gleichen Parameter besitzt (Anders A., Cathodic arc plasma deposition, Vac. Technol. & Coating, Bd. 3, Nr. 7, 2002, S. 27–35). Die Verwendung von Impulsspannung anstelle von Gleichspannung bringt eine zusätzliche Möglichkeit einer Variation der Prozessproduktivität durch Ändern des Verhältnisses zwischen der Spannungspulsdauer und der Unterbrechung mit sich.
Die Erfindung ermöglicht das Realisieren einer auf die Qualität bezogen anderen (als im Stand der Technik und dergleichen) Oberflächenmodifizierung von Materialien und Gegenständen, und zwar eine Änderung und Homogenisierung der Mikrostruktur und Phasenzusammensetzung der Oberflächenschicht, einschließlich ihrer Amorphisierung, wobei sie gleichzeitig die Reinheit der modifizierten Schicht von Gas und/oder anderen Verunreinigungen und/oder deren Verbindungen mit Verarbeitungsmaterial sicherstellt, die schließlich zu einer Verbesserung der Funktionseigenschaften von Materialien und Gegenständen führt (Korrosionsbeständigkeit, Abnutzungsbeständigkeit, hohe Härte usw.).
Die Erfindung ermöglicht ferner die Ausbildung von einzigartigen reinen Materialien und Legierungen auf der Gegenstandoberfläche, das Legieren der Oberfläche von Stahl (Nickel oder Aluminium). Aufgrund der hohen Abkühlungsgeschwindigkeit der Schmelzschicht ist es möglich, Zusammensetzungen zu bilden, die unter normalen Bedingungen (Gleichgewicht) nicht gebildet werden können (Fe/Pb, Mo/Cu, usw.). Wie wohlbekannt, können hochreine Materialien und Legierungen durch Elektronenstrahlschmelzen im Vakuum hergestellt werden, wobei dies während des Umschmelzens des Materials im Vakuum bei einem Druck von (1–10^–3) Pa stattfindet, wobei Gas und andere Verunreinigungen, die in dem Material aufgelöst sind, entfernt werden (Bruckmann G. und Scholz H., „General Metallurgical Aspects of Vacuum Treatment” im „Handbook of Vacuum Arc Science and Technology: fundamentals and applications”, herausgegeben von R. L. Boxman, P. J. Martin und D. M. Sanders, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, USA, 1995, S. 554–559). Bei vielen Anwendungen betreffen die Reinheitsanforderungen für Materialien und Legierungen lediglich deren Oberfläche. In diesem Fall ist ein Vakuum-Umschmelzen des gesamten Materials nicht erforderlich. Das Umschmelzen der Oberfläche unter dem gleichen Druck ist ausreichend, wobei dies mit dem vorgeschlagenen Verfahren leicht implementierbar ist. Dies vereinfacht und reduziert die Kosten des Verfahrens deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen zeigen schematisch mögliche Vorrichtungen für die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verarbeiten von Materialien und Produkten. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Verarbeitungsvorrichtung in Zylinderform. Die Vorrichtung besteht aus einer Vakuumkammer 1 mit einem Schnell-Lade-Anschluss 2, der als Anode für die Vakuumbogenentladung dient, dem wassergekühlten hohlen zylinderförmigen Kathodenhalter 3 von Arbeitsstücken (angebracht an die Vakuumkammer mittels eines Flansches 4 mit einem Verbinder 5 zum Bereitstellen von Leistung und Kühlwasser), dem Arbeitsstück 6, das an dem Kathodenhalter angeordnet ist und gute Wärme- und elektrische Kontakte bereitstellt, der oberen 7 und der unteren 8 elektromagnetischen Spule, die in der Aussparung des Kathodenhalters angeordnet sind, so dass ihr durchschnittlicher Querschnitt in der Ebene der oberen und der unteren Basis des Werkstücks liegt, und dem Isolator 9, der der elektrischen Entladung der Anode und der Kathode dient. Das Vakuumpumpen der Kammer erfolgt über den Flansch 10 an der Vakuumkammer und Gas wird durch das Ventil 11 hindurchgelassen.
2 ist eine Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer Verarbeitungsvorrichtung in flacher Form. Die Vorrichtung besteht aus einer Vakuumkammer 1 mit einem Schnelllade-Anschluss 2, der als Anode für die Vakuumbogenentladung dient, dem wassergekühlten Kathoden-Arbeitsstück-Halter 3, der mittels eines Flansches 4 an der Vakuumkammer angebracht ist, mit einem Verbinder 5 zum Bereitstellen von Leistung und Kühlwasser, wobei das Arbeitsstück 6 an dem Kathodenhalter angeordnet ist, um einen guten elektrischen sowie Thermokontakt sicherzustellen, wobei die obere 7 und die untere 8 elektromagnetische Spule an der Vakuumkammer über bzw. unter der Arbeitsstückebene angeordnet sind, wobei der Isolator 9 der elektrischen Entladung der Anode und der Kathode dient. Das Vakuumpumpen der Kammer erfolgt über den Flansch 10 an der Vakuumkammer, und Gas wird durch das Ventil 11 hindurchgelassen.
AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Das beanspruchte Verfahren wird folgendermaßen durchgeführt. Nach dem Vakuumpumpen auf einen Enddruck von nicht mehr als 1 Pa zwischen der Kathode (dem Arbeitsstück 6) und der Anode (Vakuumkammer 1) wird ein Vakuumbogen mit einer konstanten oder gepulsten Spannung mit einem Wert von nicht weniger als 10 V initiiert, wobei der Entladungsstrom nicht weniger als 1 A beträgt. Um das Initiieren und Aufrechterhalten einer Vakuumbogenentladung zu erleichtern, ist es möglich, der Vakuumkammer mit einem Strömungswert, der einen integralen Druck in der Kammer von nicht größer als 1 Pa bereitstellt, Inertgas zuzuführen. Der gesamte Vakuumbogenentladungsstrom ist an der Kathode in einem (oder einigen) Kathodenfleck (Kathodenflecken) konzentriert, der (die) sich auf der Oberfläche der Kathode zufällig bewegt (bewegen). Für eine gleichförmige Behandlung der gesamten Fläche mit den Kathodenflecken wird eine Bewegungssteuerung mittels eines Magnetfeldes durchgeführt.
Im Fall von Gegenständen in Zylinderform (1) wird das Magnetfeld in bogenförmiger Konfiguration auf der Oberfläche des Gegenstands durch zwei Solenoidspulen gebildet, die in seiner Aussparung angeordnet sind. Die Kathodenflecken in einem derartigen Magnetfeld befinden sich unter der Spitze der magnetischen Schleife und drehen sich in Hochgeschwindigkeit (von bis zu 100 m/sec) in Azimutrichtung. Die Scheitelposition der magnetischen Schleife wird durch die Ströme in den elektromagnetischen Spulen bestimmt und kann von der Ebene der oberen Basis des Zylinders (wobei sich nur die obere elektromagnetische Spule dreht) zu der Ebene seiner unteren Basis (wobei sich nur die untere elektromagnetische Spule dreht) variieren. Eine gleichförmige Oberflächenbearbeitung durch die Kathodenflächen erfolgt mit Stromsteuerung in den elektromagnetischen Spulen (manuell oder programmiert).
Im Fall von flachen Gegenständen (2) ist das elektromagnetische Feld auf der Oberfläche des Gegenstands durch zwei Solenoidspulen ausgebildet, die in einer Vakuumkammer angeordnet sind. Der Kathodenfleck in einem derartigen Magnetfeld dreht sich in Azimutrichtung und bewegt sich in der Richtung des spitzen Winkels, der durch die Schnittlinien des Magnetfeldes gebildet wird, zu der Oberfläche des Gegenstands. Wenn die obere Spule eingeschaltet ist, entspricht diese Bewegung der Mitte des Gegenstands. Wenn die untere Spule eingeschaltet ist, entspricht die Bewegung seinem Umfang. Eine einheitliche Oberflächenbearbeitung durch die Kathodenflecken erfolgt durch Steuerung der Ströme in den elektromagnetischen Spulen (manuell oder programmiert).
Die Produktivität des Prozesses kann durch den Entladungsstromwert und/oder durch das Verhältnis der Strom- und Unterbrechungsdauer bei gepulster Stromversorgung variieren.
Der Energieverbrauch für die Behandlung durch Kathodenflecken gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren übersteigt 0,5 kWh/m nicht. Dies ist bedeutend weniger als die korrespondierenden Werte für die Oberflächenmodifizierung mittels Laser, Elektronenstrahl und anderer Plasmatechnologien. Darüber hinaus zeichnen die Einfachheit der Arbeitsgeräte und folglich auch die Kosten das Verfahren gegenüber den obigen Technologien aus.
Somit wird mit dem vorgeschlagenen Verfahren im Vergleich zu dem Prototyp und anderen ähnlichen Verfahren das Ziel erreicht, die Wirksamkeit und die Qualität bei der Modifizierung der Oberflächeneigenschaften von Materialien und Gegenständen zu erhöhen.

Claims

Ein Verfahren zum Modifizieren der Oberflächeneigenschaften von Materialien (Gegenständen) mit einer Plasmabehandlung im Vakuum, aufweisend das Laden der Materialien (Gegenstände) in die Kammer, das Vakuumpumpen der Kammer, das Plasmabehandeln der Materialien (Gegenstände) und das Entladen der Materialien (der Gegenstände) aus der Kammer, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Ziel, sowohl die Wirksamkeit als auch die Qualität des Prozesses zu erhöhen, eine Modifizierung der Oberflächeneigenschaften von Materialien (Produkten) durchgeführt wird, mittels der Behandlung mit den Vakuumbogenkathodenflecken von einem und/oder zwei und/oder drei Typen für ein Oberflächen-Umschmelzen der Materialien (Gegenstände) bei der Anregung der Vakuumbogenentladung in der Kammer und der Initiierung von Kathodenflecken von einem und/oder von zwei und/oder von drei Typen auf der Material(Gegenstands-)-Oberfläche und mittels der Druckwerte, des Vakuumbogenentladungsstroms und der Prozesszeit geregelt/gesteuert wird, wobei der Druck in der Kammer nicht größer als 1 Pa ist, die Vakuumbogenentladungsspannung nicht kleiner als 10 V ist und der Vakuumbogenentladungsstrom nicht kleiner als 1 A ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei zum Anregen und Aufrechterhalten einer Vakuumbogenentladung zwischen der Kathode und der Anode eine Gleichspannung verwendet wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei zum Anregen und Aufrechterhalten einer Vakuumbogenentladung zwischen der Anode und der Kathode eine puls-periodische Spannung mit einem beliebigen Korrelationswert für die Pulsdauer und die Unterbrechung verwendet wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei die Kammer nach dem Vakuumpumpen mit einem Inertgasmedium und/oder Arbeitsgasmedium gefüllt wird, das die Anregung und das Aufrechterhalten der Vakuumbogenentladung durchführt.
Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei das Anordnen der Kathodenflecken auf der Arbeitsstückoberfläche und das Steuern ihrer Bewegung über die Fläche mittels eines Magnetfelds realisiert werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Anordnen der Kathodenflecken auf der Arbeitsstückoberfläche und die Steuerung ihrer Bewegung über die Fläche mittels eines Magnetfelds realisiert werden.